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[导读]本文针对摩擦学试验研究的特点,采用广泛使用的LabVIEW编程语言,开发用于东元7200MA变频器运行频率的控制串口通讯程序。 由于摩擦学试验机和摩擦学测试的特殊性,摩擦学试验中的变频器调速有着不同于一般工业变

本文针对摩擦学试验研究的特点,采用广泛使用的LabVIEW编程语言,开发用于东元7200MA变频器运行频率的控制串口通讯程序。

      由于摩擦学试验机和摩擦学测试的特殊性,摩擦学试验中的变频器调速有着不同于一般工业变频控制的特点。一方面,要求变频器调速能够在较大范围内满足摩擦学测试的要求,使得试验结果具有可比性;另一方面,摩擦磨损试验过程中,对控制有一些特殊的要求,例如需要特殊的速度、运动的非周期性以及设备的快速启动和停止等。在一些疲劳试验中,甚至要求电机进行寸动或者往复运动以检测材料的性能,有的试验现场对人体的损害比较大,需要远距离进行控制和检测电机的运转情况。所以,必须利用计算机程序控制变频器实现一些特殊控制功能。这就要求计算机与变频器之间存在有效的通讯功能。

2 通讯系统总体设计

       串行通信是一种常用的数据传输方法,占用的通信线路少、成本低,在工程通信方式上占有重要地位。本文以内置RS 485通讯接口的东元7200MA变频器为研究对象,设计基于LabVIEW的控制变频器串口的通讯系统。图1所示为系统总体结构框图。

 

      计算机通过RS 485通信口与变频器相连,对变频器进行控制。RS 485串行总线采用平衡发送和差分接收的方式传输信号,具有传输距离远(约1 219 m)、抗干扰能力强等特点。而且总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200 mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。由于目前PC机普遍只配有RS 232串口,所以在计算机上连接一个RS 232/485转换器,然后再与变频器的串口相连。将各种动作按照通讯协议编写成命令,发送给变频器,就达到了通过PC机来控制变频器的目的。同样,PC机读取数据也必须由变频器根据RS 485通讯协议进行识别和响应才能完成。

3 软件实现方案

      目前,串口通信程序的开发在Windows操作系统下一般用VB,VC,Delphi等编写。当采用VB,VC开发程序时,操作者不得不面对非常繁琐的API函数编程;而Delphi没有自带的串口通信控件,在它的帮助文档里也没有提及串口通信,给编程人员带来许多不便。

      LabVIEW是美国NI公司开发的一种基于图形化的编程语言,它内置数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试功能,包括VISA,GPIB,RS 232,DAQ等模块和基本分析库;提供强大的数据分析、处理、显示功能的同时还保证系统灵活性;LabVIEW具有开放的系统互连性及广泛的硬件支撑,具有DDL和CIN接口,可以与多种设备直接连接;流程图式的开发环境大大简化了程序开发的复杂程度,缩短开发周期;界面良好、易于理解,方便调试和维护,用它来实现PC机与变频器的串口通信是最为简捷的方法之一,已经具有较广大的用户群。

      设置东元7200MA系列变频器所涉及的主要参数有端口号、波特率、数据位等,具体说明如表1所示。

 

      本程序采用中文版LabVIEW 8.2进行通讯编程,在编写程序之前,安装的NI VISA驱动必须和LabVIEW程序版本匹配,避免编程出错。从变频器设置转数到启动再到停止有一个顺序和时间过程,因此本程序主要采用顺序结构和层叠式结构实现。具体步骤如下:

      (1)初始化串口,利用VISA Configure SerialPort.VI设置PC与变频器通信的基本参数:端口号、波特率、奇偶校验、数据位、停止位、缓冲区大小;

      (2)利用VISA Write.VI写端口,根据变频器的通讯协议把设定转数的动作参数变成命令符,然后把整个命令帧以ASCII码字符串的形式发送到串口;

      (3)利用Wait(ms).VI延时等待,主机发送命令到变频器,变频器判断命令正确后将数据返回给主机需要一定时间,故这一步需要设置延时等待。等待时间可根据变频器的响应时间确定,也可以通过LabVIEW的中的工具确定出程序运行时间来设置等待时间;

      (4)再利用VISA Write.VI写端口,把启动的动作参数写成命令帧并以字符串形式写入VISA Write.VI的缓冲区。

      以上4步即可完成变频器以一定的转数转动。写命令到串口的过程在While循环里进行,变频器启动后不需要停止,可以直接连续地设置变频器的转数来更改电机转动速度,While循环内采用延时等待处理,延时500 ms;

      同理,停止命令以一个层叠式顺序结构和上面(2),(3)两步命令层叠进行,同样先需要设定变频器转数为零,然后延时等待,最后把停止命令以字符串形式发给串口,完成变频器的停止动作;

      最后,利用VISA Close.VI关闭串口;串口不再使用时需要关闭,使其处于空闲状态,便于下一次打开串口。整个串口通信完毕后用Exit LabVIEW.VI退出此程序。程序的主要代码框图如图2所示。

 

      程序的一个很大的优点在于,将变频器速度控制与变频器的启停控制整合到一起,使得程序操作简单,更加优化合理。程序中采用了调用子VI的方法,大大简化了流程图的复杂程度,提高可读性,方便查看代码和调试程序。

      由于变频器接受的数据格式为ASCII码字符串,所以在命令写入串口之前必须先进行数据格式的转换,这里子VI的作用就是将各种参数值转换成ASCII码字符串,然后写入串口。以变频器的启动为例,根据东元变频器的启动数据格式,以十六进制形式发送01100000 0001 0200 0167 90,利用反馈节点将此字符串拆分成字符串数组,再转换为数值数组,然后利用字ByteArray To String.VI模块,将字节数组转换成ASCII码字符串。变频器接受ASCII码后经过算法还原,然后去执行相应的操作。就可以启动变频器,程序代码框图如图3所示。

 

      程序中局部变量的使用也大大简化了程序开发的复杂程度,和Visual C++等基于文本的编程语言不同,LabVIEW中的各个对象之间是靠连线来传递数据的,但是在需要两个程序之间交换数据时,靠连线的方式是不行的;即便是在同一个程序中的对象之间交换数据,有时也会遇到麻烦。在这种情况下,就需要使用局部变量。

      串口通信操作前面板如图4所示,直接在面板上设置参数,简洁明了,易于操作。在试验过程中可以随意连续的更改转数,实现无级调速。

 

4 结果验证

      这里主要是检查电机的运行状态是否与设定状态吻合,变频器根据PC机发送的指令控制电机,然后又将电机的当前工作状态读取上来。读取变频器的状态指令,可利用VISA Read.VI模块,程序具体实现方法与上述写入指令相同。

      针对不同情况进行错误处理:首先在前面板中发送指令给变频器,然后去读取此时变频器运行指令,将读取上来的数据进行指令校验和的验证,做条件判断:

      (1)如果校验正确就说明数据指令执行成功;

      (2)如果很长时间都没有将变频器上的转数读上来,或者变频器根本就没有动作,出现超时错误,说明变频器通讯故障。

      (3)读取的值与设定转数值不同,那么指令发送错误,将重新发送指令。可以在前面板显示出变频器的电压状态表,方便直观地查看电机工作状态。

      通过环一块摩擦磨损试验机的试验运用证明,所开发的变频器控制软件设计合理,使用方便,响应速度快,尽管电机存在惯性作用,也能在较短的时间内达到要求的速度,能够保证当摩擦学试验参数变化时,电机仍保持很好的刚性,很好地解决了试验过程中电机速度控制问题。

      本文的创新点在于根据摩擦学试验机的具体试验要求,利用LabVIEW技术实现计算机与变频器的通信,利用串行端口来控制变频器的运行,操作简单,响应速度快,能够连续、动态地改变电机转速,为环一块摩擦磨损试验机的试验系统提供了强大的技术支持。该设计方法已应用在笔者实验室的实际工作中,获得很好的试验效果。同时,该通信方式简单、稳定、可靠,具有很好的实时性和可移植性,可供其他串口通信系统参考。

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